CN107915655B - 一种有机凝胶化合物及其制备方法与应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种有机凝胶化合物，所述化合物的化学名称为N3，N3’，N5，N5’‑四十六烷基‑联苯‑四甲酰胺，化学式C80H142N4O4，具有以下结构式：
本发明所述的有机凝胶化合物能在苯、甲苯、乙苯和二甲苯这些苯系物环境下形成有机凝胶，可以作为这些苯系物检测试剂，用于定性检测溶液或工业废液中是否含有这些苯系物。
Description
技术领域
本发明属于超分子化学技术领域，具体涉及一种新型的有机凝胶化合物及其制备方法。本发明的有机凝胶化合物可以应用于检测苯、甲苯、乙苯和二甲苯。
背景技术
作为软物质的一种，超分子凝胶近年来受到了广泛关注。超分子凝胶是指凝胶因子在分散介质中依靠分子间弱的相互作用力(如氢键、范德华力、π-π堆叠作用、静电作用等)自组装形成一维有序聚集体，其进一步堆积形成三维网络状结构，而将分散介质固定其中，宏观上表现为稳定的胶体结构。根据分散介质的不同，进一步的，超分子凝胶可被分为两种类型：有机凝胶(使用有机溶剂作为分散介质)与水凝胶(使用水作为分散介质)。
其中，有机凝胶的特性表现在无流动性、对外界环境变化较强的敏感性以及良好的热可逆性。有机凝胶因其独特的特性，使得其在传感器、软模板、离子检测等方面都有良好的应用和发展前景。近些年来，科研工作者争相研究制备新型有机凝胶，有关研究工作也被广泛报道(Wang，X.F.；Zhang，L.；Liu，M.H.Acta Physico-Chimica Sinica，2016，32，227-238；Lan，Y.；Corradini，M.G.；Weiss，R.G.Chemical Society Reviews，2015，44，821-836)。
其中，其用于检测阴阳离子的研究已经有很多。如CN106565533A、CN106084123A、CN105837469A等分别公开了凝胶在检测氟离子、镉离子和碘离子的应用。甚至其可以同时检测多种离子，如CN107056666A公开了可以检测氟离子和汞离子，而CN106552595A公开了可以检测镍、铬、铅、汞等重金属离子。有机凝胶也逐渐开始应用于化合物的检测，如CN106349219A公开了检测2，4，6-三硝基苯酚的应用。但对于苯系物的检测，则鲜有报道。
苯、甲苯、乙苯、二甲苯作为代表性的苯系物(BTEX)是一类有毒性且有刺激性气味的无色透明溶液。作为重要的化工溶剂与原料，其在医药、农药、合成材料等方面有着广泛的应用前景。
值得注意的是，这些苯系物具有神经毒性和遗传毒性，长期接触会导致人体患上贫血症和白血病，且随着接触浓度的增高，人体患白血病的风险显著增长。由于化工废水处理起来很困难，排放到废水中的苯、甲苯、二甲苯等苯系物对人类而言是很大的潜在危害。目前，这些苯系物对水资源以及人体健康的影响已经引起了社会的广泛关注。
因此，对苯系物生产或使用化工企业排放的废水进行检测，具有十分重要的意义。目前已有的检测手段有气相色谱法、气相色谱质谱联用法、顶空固相微萃取法。但是该类方法需要昂贵的设备及维护费用，且操作繁琐，需要专人操作，使得其应用受到一定限制。因此，研发一种低成本、便于操作的检测方法来检测苯系物具有重要意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种新型的有机凝胶化合物，该有机凝胶化合物可以在含有苯、甲苯、乙苯和二甲苯的环境下形成有机凝胶。
提供所述有机凝胶化合物的制备方法，是本发明的目的之二。
提供所述有机凝胶化合物的用途简单而有效地对苯、甲苯、乙苯和二甲苯进行检测，是本发明的目的之三。
具体地，本发明所述的有机凝胶化合物的化学名称是N3，N3’，N5，N5’-四十六烷基-联苯-四甲酰胺，化学式C80H142N4O4，其结构式如下：
本发明所述的有机凝胶化合物是由联苯-3，3’，5，5’-四羧酸、十六胺和2-乙氧基-1-(乙氧基羰基)-1，2-二氢喹啉作为原料，在甲醇-氯仿混合溶液体系中制备得到的。
本发明所述反应是在50～63℃条件下进行的。
同时，所述甲醇-氯仿混合溶液体积比为1∶1～3。
上述有机凝胶化合物的制备方法中，优选联苯-3，3’，5，5’-四羧酸、十六胺和2-乙氧基-1-(乙氧基羰基)-1，2-二氢喹啉的摩尔用量比为1∶4～7∶4～10。
以下提供了本发明所述有机凝胶化合物更具体的制备方法。
将联苯-3，3’，5，5’-四羧酸与2-乙氧基-1-(乙氧基羰基)-1，2-二氢喹啉溶于甲醇-氯仿混合溶液中，于反应温度下反应10～40分钟，再加入十六胺继续反应18～36小时。除去溶剂后得到所述化合物的粗产物。将得到的粗产物先用甲醇重结晶，再用环己烷重结晶后，真空干燥得到纯的白色固体粉末，即所述有机凝胶化合物。
本发明发现，将上述制备的有机凝胶化合物加入含有苯系物的溶液中加热溶解为澄清溶液，自然冷却至室温，静置后形成稳定的有机凝胶。
其中，所述的苯系物是苯、甲苯、乙苯、二甲苯中的一种，或几种的任意比例混合物。
基于上述性能，本发明所述的有机凝胶化合物可以作为苯、甲苯、乙苯和二甲苯这些苯系物的检测试剂，用于定性检测工业废水中是否含有这些苯系物。
具体地，所述有机凝胶化合物可以用于检测医药、农药、染料、塑料、合成材料等工业排放的工业废水中是否含有苯、甲苯、乙苯和二甲苯这些苯系物。
本发明所述有机凝胶化合物检测工业废水中苯系物的方法是：用环己烷萃取需检测的工业废水，分离出有机相得到待检测溶液；在待检测溶液中加入有机凝胶化合物，加热使其完全溶解澄清，自然冷却至室温，静置，观察溶液是否被完全固化，形成稳定的有机凝胶。
上述定性检测方法中，苯、甲苯、乙苯和二甲苯这些苯系物的检测限为3wt‰。即如果待检测溶液形成有机凝胶，则说明待检测溶液中苯系物的含量达到了3wt‰以上。
进而，优选地，上述定性检测方法中，待检测溶液中有机凝胶化合物的浓度为5～30mg/mL时，是观察是否形成有机凝胶的最佳浓度。
所述静置时间为40分钟以上。
本发明发现，使用所述有机凝胶化合物，可以快速地对苯、甲苯、乙苯和二甲苯这些苯系物进行检测。同时，本发明所述有机凝胶化合物只有遇到苯系物时，才会使体系由溶液转变为有机凝胶，而对于其它有机溶剂，则并未观察到溶液态向凝胶态的转变。例如，当苯系物被替换为二氯甲烷、三氯甲烷、四氢呋喃、二氧六环、乙酸乙酯、乙醇、乙腈、N，N-二甲基甲酰胺等不同极性的有机溶剂时，体系一直保持溶液态，不论放置多长时间都不会转变为凝胶态。
本发明提供的有机凝胶化合物在检测苯、甲苯、乙苯和二甲苯这些苯系物时表现出高效性、高选择性，只有在溶液中含有这些苯系物时才会形成有机凝胶。而且，本发明提供的有机凝胶化合物制备方法简单、成本低廉、便于操作，极大地降低了检测成本，便于推广应用。
附图说明
图1是实施例1制备的有机凝胶化合物的质谱图谱。
图2是实施例1制备的有机凝胶化合物的核磁共振氢谱图。
图3是应用例1～3和对比例1、2所形成的有机凝胶和溶液照片。
图4是应用例2得到有机凝胶的扫描电镜照片。
具体实施方式
下面所列举实施方式仅为本发明中的优选方案，并不限制本发明。若本领域的技术人员有需要，可以对本发明进行更改和变化。在本发明的原则和精神的基础上，进行的一切修改、替换等，都应包含在本发明的保护范围内。
实施例1
将1.2g联苯-3，3’，5，5’-四羧酸与4.3g 2-乙氧基-1-(乙氧基羰基)-1，2-二氢喹啉溶于甲醇-氯仿混合溶液中，于52℃下反应15分钟，再加入3.8g十六胺继续反应24小时。反应液降至室温并减压旋干得到粗产物。将粗产物先用甲醇重结晶，再用环己烷重结晶后，真空干燥得到纯的白色固体粉末，即为N3，N3’，N5，N5’-四十六烷基-联苯-四甲酰胺。
图1是本实施例所制备的有机凝胶化合物的质谱图谱。图中1246.4的峰即为目标分子带上钠的出峰位置。实验所得出峰位置与理论值很好的吻合，说明我们成功的制备了N3，N3’，N5，N5’-四十六烷基-联苯-四甲酰胺。
图2是本实施例制备的凝胶因子的核磁共振氢谱图。谱图中*表示溶剂峰，其所有特征峰都给出了明确归属，谱图中没有任何杂峰，证明制备的凝胶因子纯度较高。
实施例2
将0.8g联苯-3，3’，5，5’-四羧酸与3.5g 2-乙氧基-1-(乙氧基羰基)-1，2-二氢喹啉溶于甲醇-氯仿混合溶液中，于55℃下反应25分钟，再加入3.1g十六胺继续反应28小时。反应液降至室温并减压旋干得到粗产物。将粗产物先用甲醇重结晶，再用环己烷重结晶后，真空干燥得到纯的白色固体粉末，即为N3，N3’，N5，N5’-四十六烷基-联苯-四甲酰胺。
实施例3
将1.5g联苯-3，3’，5，5’-四羧酸与6.8g 2-乙氧基-1-(乙氧基羰基)-1，2-二氢喹啉溶于甲醇-氯仿混合溶液中，于60℃下反应35分钟，再加入5.5g十六胺继续反应35小时。反应液降至室温并减压旋干得到粗产物。将粗产物先用甲醇重结晶，再用环己烷重结晶后，真空干燥得到纯的白色固体粉末，即为N3，N3’，N5，N5’-四十六烷基-联苯-四甲酰胺。
实施例4
取8mg实施例1制备的有机凝胶化合物，加入1mL苯中，加热使其完全溶解澄清。自然冷却至室温，静置40分钟后，得到稳定的有机凝胶。
实施例5
取15mg实施例1制备的有机凝胶化合物，加入1mL甲苯，加热使其完全溶解澄清。自然冷却至室温，静置40分钟后，得到稳定的有机凝胶。
实施例6
取20mg实施例1制备的有机凝胶化合物，加入0.4mL甲苯和0.6mL二甲苯的混合液中，加热使其完全溶解。自然冷却至室温，静置40分钟后，得到稳定的有机凝胶。
实施例7
取25mg实施例1制备的有机凝胶化合物，加入0.3mL甲苯、0.3mL二甲苯和0.4mL乙苯的混合液中，加热使其完全溶解。自然冷却至室温，静置40分钟后，得到稳定的有机凝胶。
应用例1
将1.8×10-3mol苯混入100mL水中，用来模拟工业废水。用2mL环己烷萃取模拟工业废水，分离出有机相作为待测液。
取1mL待测液加入带盖小瓶中，将8mg N3，N3’，N5，N5’-四十六烷基-联苯-四甲酰胺加入其中，加热小瓶待N3，N3’，N5，N5’-四十六烷基-联苯-四甲酰胺溶解完全后，将其自然冷却至室温。静置40分钟后，倒置。观察小瓶中的溶液不再流动，已经形成稳定的有机凝胶，说明模拟工业废水中含有苯系物(图3a)。
应用例2
将2.2×10-3mol甲苯混入100mL水中，用来模拟工业废水。用2mL环己烷萃取模拟工业废水，分离出有机相作为待测液。
取1mL待测液加入带盖小瓶中，将15mg N3，N3’，N5，N5’-四十六烷基-联苯-四甲酰胺加入其中，加热小瓶待N3，N3’，N5，N5’-四十六烷基-联苯-四甲酰胺溶解完全后，将其自然冷却至室温。静置40分钟后，倒置。观察小瓶中的溶液不再流动，已经形成稳定的有机凝胶，说明模拟工业废水中含有苯系物(图3b)。
应用例3
将1.5×10-3mol甲苯与1.5×10-3mol二甲苯混入100mL水中，用来模拟工业废水。用2mL环己烷萃取模拟工业废水，分离出有机相作为待测液。
取1mL待测液加入带盖小瓶中，将18mg N3，N3’，N5，N5’-四十六烷基-联苯-四甲酰胺加入其中，加热小瓶待N3，N3’，N5，N5’-四十六烷基-联苯-四甲酰胺溶解完全后，将其自然冷却至室温。静置40分钟后，倒置。观察小瓶中的溶液不再流动，已经形成稳定的有机凝胶，说明模拟工业废水中含有苯系物(图3c)。
应用例4
将1.6×10-3mol甲苯、1.6×10-3mol二甲苯和1.6×10-3mol乙苯混入100mL水中，用来模拟工业废水。用2mL环己烷萃取模拟工业废水，分离出有机相作为待测液。
取1mL待测液加入带盖小瓶中，将24mg N3，N3’，N5，N5’-四十六烷基-联苯-四甲酰胺加入其中，加热小瓶待N3，N3’，N5，N5’-四十六烷基-联苯-四甲酰胺溶解完全后，将其自然冷却至室温。静置40分钟后，倒置。观察小瓶中的溶液不再流动，已经形成稳定的有机凝胶，说明模拟工业废水中含有苯系物。
比较例1
将1.8×10-3mol三氯甲烷混入100mL水中，用来模拟工业废水。用2mL环己烷萃取模拟工业废水，分离出有机相作为待测液。
取1mL待测液加入带盖小瓶中，将8mg N3，N3’，N5，N5’-四十六烷基-联苯-四甲酰胺加入其中，加热小瓶待N3，N3’，N5，N5’-四十六烷基-联苯-四甲酰胺溶解完全后，将其自然冷却至室温。静置2小时后，倒置。观察小瓶中的溶液依然流动，并未形成稳定的有机凝胶，说明模拟工业废水中不含苯系物(图3d)。
比较例2
将2.2×10-3乙酸乙酯混入100mL水中，用来模拟工业废水。用2mL环己烷萃取模拟工业废水，分离出有机相作为待测液。
取1mL待测液加入带盖小瓶中，将15mgN3，N3’，N5，N5’-四十六烷基-联苯-四甲酰胺加入其中，加热小瓶待N3，N3’，N5，N5’-四十六烷基-联苯-四甲酰胺溶解完全后，将其自然冷却至室温。静置2小时后，倒置。观察小瓶中的溶液依然流动，并未形成稳定的有机凝胶，说明模拟工业废水中不含苯系物(图3e)。
比较例3
将2.8×10-3二氯甲烷混入100mL水中，用来模拟工业废水。用2mL环己烷萃取模拟工业废水，分离出有机相作为待测液。
取1mL待测液加入带盖小瓶中，将18mgN3，N3’，N5，N5’-四十六烷基-联苯-四甲酰胺加入其中，加热小瓶待N3，N3’，N5，N5’-四十六烷基-联苯-四甲酰胺溶解完全后，将其自然冷却至室温。静置2小时后，倒置。观察小瓶中的溶液依然流动，并未形成稳定的有机凝胶，说明模拟工业废水中不含苯系物。
Claims (4)
1.一种有机凝胶化合物，其化学名称为N3，N3’，N5，N5’-四十六烷基-联苯-四甲酰胺，为具有以下结构式的化合物，化学式C80H142N4O4
2.权利要求1所述的有机凝胶化合物的制备方法，是采用联苯-3，3’，5，5’-四羧酸和十六胺作为原料，在2-乙氧基-1-(乙氧基羰基)-1，2-二氢喹啉条件下，在甲醇-氯仿混合溶液体系中制备得到的。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征是所述反应在50～63℃下进行。
4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征是所述联苯-3，3’，5，5’-四羧酸、十六胺和2-乙氧基-1-(乙氧基羰基)-1，2-二氢喹啉的摩尔用量比为1∶4～7∶4～10。
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